"Химия", Журин А.А.
Оксиды азота — соединения азота с кислородом, в которых азот проявляет разные степени окисления. Поэтому свойства этих веществ неодинаковы: одни оксиды почти не взаимодействуют с водой, другие образуют кислоты. Особенно важны монооксид NO и бурый диоксид NO₂: они возникают в природе и при сгорании топлива, участвуют в образовании азотной кислоты, смога и кислотных дождей. Понимание их состава помогает составлять уравнения реакций и объяснять загрязнение воздуха.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксиды азота — бинарные соединения азота с кислородом, то есть вещества из атомов двух элементов. Азот в них имеет разные степени окисления — условные заряды атомов, рассчитанные по правилам химии. Поэтому состав оксидов различается: известны N₂O, NO, N₂O₃, NO₂ и N₂O₅. Это понятие помогает не считать все оксиды азота одним веществом и правильно предсказывать их свойства.
Монооксид азота NO, или оксид азота(II), — бесцветный газ, который образуется при высокой температуре из азота и кислорода. В обычных условиях эти газы реагируют очень медленно, поэтому для реакции нужна высокая температура. На воздухе NO быстро соединяется с кислородом и превращается в NO₂. Знание этой особенности позволяет объяснить появление бурого газа возле работающих двигателей и в загрязнённом воздухе.
Диоксид азота NO₂, или оксид азота(IV), — бурый токсичный газ с резким запахом. Он взаимодействует с водой, при этом могут образоваться азотная и азотистая кислоты. В присутствии кислорода азотистая кислота может окисляться дальше до азотной. Свойства NO₂ важны для понимания образования кислотных осадков и правил безопасного обращения с этим газом.
Азотистый ангидрид N₂O₃ и азотный ангидрид N₂O₅ — кислотные оксиды, соответствующие азотистой HNO₂ и азотной HNO₃ кислотам. Слово «ангидрид» означает, что оксид при добавлении воды даёт соответствующую кислоту: N₂O₃ + H₂O → 2HNO₂, N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃. Эти формулы помогают связать состав оксидов с составом кислот и понять, почему такие оксиды называют кислотными.
Азот образует несколько оксидов, потому что способен проявлять в соединениях разные степени окисления. Кислород в них обычно имеет степень окисления −2, а азот может принимать значения от +1 до +5. Электронейтральность вещества требует, чтобы суммарный условный заряд всех атомов был равен нулю. Так возникают разные соотношения атомов: например, в NO азот имеет +2, а в NO₂ — +4.
Характер оксида зависит не только от элемента, но и от его степени окисления и строения вещества. N₂O и NO не образуют кислот при взаимодействии с водой, поэтому их относят к несолеобразующим оксидам. N₂O₃ и N₂O₅ соответствуют кислотам HNO₂ и HNO₃, значит, это кислотные оксиды. Для NO₂ связь с кислотами проявляется в реакции с водой, где образуются сразу две кислоты; поэтому его свойства нельзя автоматически приравнивать к свойствам ангидрида.
Монооксид NO появляется при высокой температуре, например в двигателях и при электрических разрядах. Энергии нагрева достаточно, чтобы преодолеть прочную связь в молекуле азота и запустить реакцию N₂ + O₂ → 2NO. В уравнении один атом азота не рассматривается отдельно: молекула азота двухатомная, поэтому необходимо уравнять число атомов с обеих сторон. Затем NO реагирует с кислородом воздуха: 2NO + O₂ → 2NO₂.
NO и NO₂ различаются цветом, токсичностью и поведением в реакциях. NO — бесцветный газ, который сравнительно быстро окисляется кислородом; отсутствие цвета не означает, что его можно считать безопасным. NO₂ заметен как бурый газ, он токсичен и имеет резкий запах. В воде NO₂ образует смесь кислот по уравнению 2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂; при дополнительном окислении азотистая кислота может перейти в азотную.
Оксиды азота возникают не только в лабораторных реакциях: их источниками служат высокотемпературное сгорание топлива, промышленность и природные процессы. В атмосфере NO окисляется до NO₂, а затем соединения азота вступают в реакции с водой и кислородом, в результате которых образуются кислоты. Попадая с осадками на почву и водоёмы, кислоты вызывают кислотные дожди. Солнечный свет также запускает реакции с участием оксидов азота и веществ из выхлопов, способствующие образованию фотохимического смога.
| Оксид и название | Степень окисления азота | Внешний вид и свойства | Характер оксида | Основные реакции и значение |
|---|---|---|---|---|
| N₂O — оксид азота(I) | +1 | Бесцветный газ | Несолеобразующий | Не образует кислоту при взаимодействии с водой |
| NO — оксид азота(II), монооксид азота | +2 | Бесцветный газ; окисляется на воздухе | Несолеобразующий | 2NO + O₂ → 2NO₂ |
| N₂O₃ — оксид азота(III), азотистый ангидрид | +3 | Неустойчивое соединение | Кислотный | N₂O₃ + H₂O → 2HNO₂ |
| NO₂ — оксид азота(IV), диоксид азота | +4 | Бурый токсичный газ с резким запахом | Кислотные свойства при реакции с водой | Образует HNO₃ и HNO₂; участвует в загрязнении воздуха |
| N₂O₅ — оксид азота(V), азотный ангидрид | +5 | Твёрдое вещество | Кислотный | N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃ |
Сначала сравни формулы и степени окисления: так видно, как меняется состав оксидов. Затем по реакции с водой можно отличить кислотные оксиды от несолеобразующих. Таблица также показывает, почему NO и NO₂ важно не путать: их внешний вид и химическое поведение различны.
Задача: определить степень окисления азота в N₂O, NO, NO₂ и N₂O₅ и расположить оксиды по её увеличению. В каждом соединении кислород имеет степень окисления −2, а сумма значений для нейтральной молекулы равна нулю. Если атомов азота несколько, результат для всей формулы нужно разделить на их число.
Ответ: степени окисления азота соответственно +1, +2, +4 и +5; порядок возрастания — N₂O, NO, NO₂, N₂O₅. Проверка: в каждой формуле сумма степеней окисления азота и кислорода равна нулю.
Задача: составить цепочку N₂ → NO → NO₂ и указать условия. Нужно определить, какие вещества реагируют на каждом этапе, а затем уравнять число атомов. Первая реакция требует высокой температуры, а вторая протекает при взаимодействии монооксида с кислородом воздуха.
Ответ: N₂ + O₂ → 2NO (высокая температура); 2NO + O₂ → 2NO₂ (кислород воздуха). Азот окисляется в обеих реакциях: его степень окисления повышается с 0 до +2, затем до +4.
Задача: какую массу HNO₃ можно получить из 9,2 г NO₂ по уравнению 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃? Предполагаем, что кислорода и воды достаточно, а NO₂ полностью прореагировал. По коэффициентам видно, что четыре моля NO₂ дают четыре моля HNO₃, то есть отношение веществ равно 1:1.
Ответ: теоретически можно получить 12,6 г азотной кислоты. Проверка единиц показывает, что количество вещества умножено на молярную массу, поэтому результат выражен в граммах.
Ошибка: считать, что все оксиды азота обладают одинаковыми свойствами. Так думают, потому что в названии каждого соединения есть слова «оксид азота», но свойства зависят от состава и степени окисления. Проверяй формулу и отдельно выясняй, реагирует ли вещество с водой и кислородом.
Ошибка: путать NO и NO₂, приписывая им один цвет или одинаковое поведение. Названия «монооксид» и «диоксид» похожи, а одна цифра в формуле легко теряется при чтении. Запомни проверку: NO бесцветен и окисляется на воздухе, NO₂ бурый, токсичный и реагирует с водой.
Ошибка: неверно находить степень окисления азота, не учитывая индексы в формуле. Например, в N₂O значение −2 для кислорода компенсируют два атома азота, а не один. Записывай уравнение электронейтральности с учётом числа атомов каждого элемента и проверяй, что итоговая сумма равна нулю.
Ошибка: записать реакцию NO₂ с водой без коэффициентов или указать только одну кислоту. Причина — попытка применить схему «кислотный оксид плюс вода» к веществу, которое образует смесь продуктов. Для этой реакции проверь баланс атомов и используй уравнение 2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂; при наличии кислорода возможно дальнейшее образование HNO₃.
Для этой темы нужны понятия оксида и степени окисления, а также умение составлять формулы и уравнивать реакции. Эти навыки пригодятся при изучении азотной кислоты и солей нитратов, окислительно-восстановительных реакций и промышленного получения соединений азота. Знание превращений NO и NO₂ помогает объяснить загрязнение воздуха, кислотные дожди и фотохимический смог. Так химические уравнения связываются с процессами, которые происходят в атмосфере и влияют на окружающую среду.
Почему азот образует несколько оксидов?
Азот может иметь в соединениях с кислородом разные степени окисления: от +1 до +5. Поэтому образуются несколько устойчивых сочетаний атомов, например N₂O, NO, NO₂ и N₂O₅.
Чем монооксид азота отличается от диоксида азота?
NO — бесцветный газ, который быстро реагирует с кислородом воздуха. NO₂ — бурый токсичный газ с резким запахом; он взаимодействует с водой и образует кислоты.
Почему NO на воздухе превращается в NO₂?
В молекуле NO азот имеет степень окисления +2, а в NO₂ — +4. Кислород принимает электроны, а азот их отдаёт, поэтому NO окисляется: 2NO + O₂ → 2NO₂.
Как определить степень окисления азота в его оксиде?
В обычных оксидах кислород имеет степень окисления −2. Умножь её на число атомов кислорода и подбери степень окисления азота так, чтобы сумма для всей нейтральной формулы равнялась нулю.
Какие оксиды азота являются ангидридами кислот?
N₂O₃ — ангидрид азотистой кислоты HNO₂, а N₂O₅ — ангидрид азотной кислоты HNO₃. При взаимодействии с водой они образуют соответствующие кислоты.
24. Оксиды азота
